Насосы С11АЭ,11МТ,11ТС / 11-МТ / 2.Ксерокопии книг / 03.Книга.ГЦН_АЭС

150 с (0,47° С/с) ; при расположении насоса на холодной ветке за те же 15 с температура

При расположении насоса на горячей ветке обеспечивается максимальное давление на входе в рабочее колесо при минимальном давлении газа в реакторе. В самом деле, в общем виде превышение давления на входе в рабочее колесо рвс над давлением пара ps равно:

где рг — давление газовой подушки в системе; ρ— плотность натрия; h — расстояние от свободней поверхности в реакторе (насосе) до входа в рабочее колесо; ξi, λi — соответственно коэффициенты местного сопротивления и потерь по длине на i-х участках всасывающей трассы от реактора до насоса; li и di — соответственно длина и диаметр i-го участка всасывающей трассы; Vi — скорость на i-м участке всасывающего трубопровода.

расположения насоса на холодной ветке

где ∆ξ1 — гидравлические потери напора в трубопроводе от реактора до теплообменника; ∆ξ2 — гидравлические потери напора в трубопроводе от теплообменника до насоса; ∆ξт

—гидравлические потери напора в теплообменнике. Для расположения насоса на горячей ветке

где ∆ξ3 — гидравлические потери напора в трубопроводе от реактора до насоса. Сравнивая (2.2) и (2.3) для одинаково погруженных насосов и при прочих равных

параметрах, можно видеть, что потери на всасывающей трассе при расположении насоса на холодной ветке заметно больше. Соответственно для обеспечения одинаковых кавитационных условий давление газа при расположении насоса на холодной ветке должно быть больше (с учетом разницы давлений пара металла при расположении на холодной и горячей ветках). Итак, главным и существенным недостатком расположения насоса на холодной ветке является необходимость повышения давления газа в целях предупреждения кавитации. Однако преимущества размещения насоса на холодной ветке

42

являются определяющими. Поэтому для большинства реакторов с натриевым теплоносителем и выбрано такое размещение .

Насосы с гидродинамическими подшипниками. Первые отечественные насосы для жидкого металла — натрия и сплава натрия с калием (БР-5 и БН-350), а также зарубежные (SRE — PEP) имели гидродинамические подшипники, у которых нижняя радиальная опора расположена вне рабочей среды (отсюда следует и часто употребляемый применительно к этим насосам термин «консольный»). Выбор такой схемы объяснялся тем, что, во-первых, отсутствовал опыт работы радиальных подшипников в жидком металле, а во-вторых, требуемые характеристики насоса позволяли иметь приемлемые размеры консоли. В этом случае в качестве нижней радиальной опоры консольных насосов использовались подшипники качения или скольжения с масляной смазкой. Насосы получались достаточно компактными, с хорошо зарекомендовавшими себя в общем машиностроении подшипниковыми узлами. Существенно также, что такие насосы могли работать и в режиме газодувки при разогреве реактора, что важно для эксплуатации. Для консольных насосов (рис. 2.16) допустимые колебания уровня натрия над колесом в различных режимах ограничиваются длиной консоли. Для уменьшения внутренних перетечек (с нагнетания на всасывание) выемная часть монтируется в бак по плотным посадкам или с уплотнением (например, в виде поршневых колец). В связи с этим через щелевое уплотнение по валу, а также через зазоры между неподвижными и выемными частями идет постоянная протечка в бак насоса за счет поддержания давления за лабиринтом рабочего колеса на всех режимах несколько большим, чем давление в газовой подушке насоса. Протечка меняется в зависимости от изменения подачи, напора или давления на всасывании, а также с течением времени в результате возможного частичного нарушения герметичности в местах уплотнения. Например, в насосах первого контура реактора БН-350 в начале эксплуатации протечка в бак насоса составляла 40 м3/ч, а после наработки 40 000 ч протечка увеличилась до 85 м3/ч. Вполне очевидно, что если протечки не дренировать из бака, то насос будет залит. Протечки, как правило, через специальный патрубок 1 возвращают в контур к точке с наименьшим давлением.

Поскольку нижний радиальный подшипник работает на минеральной смазке, следует опасаться контакта натрия с парами смазки. Для уменьшения этого нежелательного процесса используют смазку с меньшим давлением насыщенных паров, например, вакуумное масло. Если такое мероприятие окажется недостаточным, то насос должен

Имеются данные [1, гл. 1], что процесс эрозионных разрушений конструкционных материалов в натрии резко возрастает при температурах, близких к 300° С. Поэтому в тех случаях, когда не гарантируется отсутствие кавитации, это обстоятельство также должно учитываться при выборе расположения насоса.

43

быть оборудован специальной системой удаления паров смазки. Для уменьшения этого нежелательного процесса используют смазку с меньшим давлением насыщенных паров, например вакуумное масло. Если такое мероприятие окажется недостаточным, то насос должен быть оборудован специальной системой удаления паров смазки.

Рис. 2.16. Схема консольного насоса для жидкого металла на гидродинамических подшипниках скольжения:

1 — патрубок слива протечек; 2 — уровень заполнения; 3— рабочий уровень; 4— уровень при остановленном насосе (контур разогрет); 5

— станина; 6 — выемная часть насоса; 7 — нижний радиальный гидродинамический подшипник; 8 — вал; 9 — радиально-осевой подшипник; 10 — уплотнение вала; 11 — ремонтное уплотнение; 12 — отвод масла из подшипника

Рис. 2.17. Схема герметичного насоса для жидкого металла на подшипниках качения:

электродвигателя

44

Для уменьшения этого нежелательного процесса используют смазку с меньшим давлением насыщенных паров, например вакуумное масло. Если такое мероприятие окажется недостаточным, то насос должен быть оборудован специальной системой удаления паров смазки.

На рис. 2.17 рассмотрена возможная схема герметичного насоса на подшипниках качения. Рабочее колесо имеет удлиненный хвостовик, которым оно крепится к ротору 7 двигателя. Вал 2 насоса вращается на двух шарикоподшипниках — нижнем 1, воспринимающем только радиальную нагрузку, и верхнем воспринимающем радиальную и осевую нагрузки. В кольцевую щель между валом насоса и хвостовиком колеса вставлена неподвижная втулка 6, образующая гидрозатвор, исключающий попадание металла в нижний подшипник. В таком насосе требуется поддерживать постоянное давление в полости ротора.

Несмотря на высокую надежность, насосы с гидродинамическими подшипниками, расположенными в герметичной полости насоса, не нашли широкого применения в ЯЭУ по следующим причинам:

-малое заглубление рабочего колеса, обусловленное ограниченным размером консоли, требует для обеспечения нормальной (бескавитационной) работы насоса увеличения давления газа, что, в свою очередь, усложняет конструкцию реактора;

-применение радиальных подшипников, смазываемых маслом, требует особых мер предосторожности, исключающих попадание масла или его паров в контур, так как даже дополнительные конструкционные меры полностью не исключают встречную диффузию паров как теплоносителя, так и масла;

-для насосов большой подачи допустимые размеры консоли вала не могут обеспечить эксплуатационного изменения уровня в баке, который определяется температурными изменениями объема теплоносителя в контуре.

Перечисленные недостатки консольных насосов с гидродинамическими подшипниками исключаются, если встроить в насос замерзающее уплотнение, конструкция которого описана в гл. 3. Для нормальной работы этого уплотнения важно поддерживать температурный режим его на необходимом (достаточно низком) уровне, определяемом температурой плавления теплоносителя. Прекращение подачи охлаждающей среды может привести к прорыву металла через уплотнение, что совершенно недопустимо. Чтобы уменьшить вероятность выброса металла в помещение или подсос газа в полость насоса при аварийном размораживании уплотнения, насос желательно располагать в точке контура с вы сот ной отметкой, равной максимальному уровню теплоносителя в реакторе, в целях обеспечения наименьшего перепада давления на уплотнении.

45

К основным недостаткам насосов с замерзающим уплотнением, сдерживающим их применение в ЯЭУ, следует отнести:

высокие требования к надежности работы охлаждающей системы; возможную нестабильность характеристик уплотнения в процессе эксплуатации (из-за изменяющегося в пределах уплотнения состава замораживаемой среды);

необходимость использования привода с повышенным пусковым моментом или специального подрывного устройства для пуска насоса с замерзающим уплотнением.

Погружные насосы с гидростатическими подшипниками. В погружных насосах нижний радиальный гидростатический подшипник погружен в теплоноситель, и металл подается к нему с напора рабочего колеса. Верхний радиальный подшипник совмещен с осевым в одном блоке и вынесен из рабочей полости насоса, что позволяет использовать минеральную смазку и применять как подшипник качения, так и подшипник скольжения (гидродинамический или гидростатический). Уплотнение вала целесообразно располагать ниже верхнего подшипника, поскольку это способствует снижению количества паров минеральной смазки, попадающих в теплоноситель. Однако при этом ухудшаются условия замены уплотнения.

Среди погружных насосов следует различать заглубленные (рис. 2.12) и малозаглубленные (рис. 2.18). Рабочее колесо заглубленного насоса всасывает металл из бака насоса при петлевой компоновке или непосредственно из бака реактора при интегральной компоновке. Следовательно, в нем при пуске всегда снижается уровень теплоносителя на сопротивление всасывающей трассы (насос и реактор соединены по газу), так как на это значение меняется давление на всасывании рабочего колеса [см. выражение (2.1)]. Заглублением рабочего класса относительно уровня заполнения большим, чем сопротивление всасывающей трассы, предотвращается возможность оголения рабочего колеса при снижении уровня теплоносителя в насосе. Это позволяет иметь минимально допустимое давление газа, что, в свою очередь, упрощает вспомогательные контуры и повышает надежность АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

Заглубление рабочего колеса должно учитывать также возможные пульсации давления газа как в реакторе, так и в насосе. При использовании погружных насосов нет необходимости иметь систему слива протечек, как в консольных насосах. Заглубленные насосы обладают одним существенным недостатком: чем больше подача и мощность насоса, тем сложнее становится его изготовление вследствие больших размеров вала и корпусных деталей. Например, насос реактора БОР-60 при мощности всего 220 кВт имеет вал длиной 5 м и диаметром 0,3 м. Сам насос требует уникальных стендов для испытаний,

46

Глава 3

О С НО ВН ЫЕ УЗЛ Ы Н А СО С НО ГО АГ РЕ Г АТ А

3 . 1 . ПО ДШ ИП НИ КОВ Ы Е ОП О РЫ

3 . 1 . 1 . Т Р Е Б О В А Н И Я К П О ДШ И П НИ К О В Ы М ОП О Р А М Выбор конструкции подшипниковой опоры для ГЦН определяется следующими

требованиями:

-высокая надежность на всех режимах работы, включая пуски на остановки, а также ресурс не менее 50 тыс. ч;

-работоспособность в среде с высокой температурой, давлением и возможным наличием мелких твердых частиц;

-отсутствие склонности материалов, применяемых для трущихся пар подшипников, к «самосвариванию» и «схватыванию» при аварийном прекращении подачи питающей жидкости. к деформациям и фазовым превращениям при температуре до 400° С, к изменению размеров при проведении дезактивации контура моющими растворами; используемые материалы должны быть в максимальной степени технологичными, дешевыми и взаимно совместимыми; нежелательно присутствие в материале подшипника элементов, которые при облучении в реакторе приобретают долгоживущую наведенную радиоактивность (например, 60Со); недопустимо выделение из материалов подшипника коррозионно опасных веществ (например, фтора);

-хорошая ремонтопригодность, позволяющая проводить не только замену подшипникового узла в кратчайшие сроки, но и ремонт отдельных его деталей (втулки вала, вкладышей и т. д.,);

-сохранение работоспособности при возможном обратном вращении вала (реверсе);

-относительно малая чувствительность к изменению нагрузки, к нарушению заданной соосности опор в процессе работы, достаточная вибростойкость;

-используемые для подшипников смазочно-охлаждающие жидкости должны быть огнестойкими и нетоксичными [1].

В качестве опор в ГЦН могут применяться подшипники как качения, так и скольжения. Наиболее важными характеристиками подшипника являются его несущая способность и потери на трение. Несущая способность подшипника качения определяется в соответствии с известными рекомендациями и ограничивается диаметром вала и его частотой вращения [2]. Характеристики подшипников скольжения, которые разделяют

48

условий работы. Рисунок 3.3 дает примерную картину зависимости момента трения от частоты вращения.

В большинстве случаев при проектировании ГЦН предпочтение отдается подшипникам скольжения , так как они в большем мере отвечают перечисленным выше требованиям. Методические основы расчета подшипников скольжения изложены в литературе достаточно полно (см., например, [4]). Ниже приводятся лишь описание наиболее характерных конструкций подшипниковых опор и основные сведения, необходимые для ориентировочных расчетов.

3.1.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР

Гидродинамические радиальные подшипники выполняются втулочными или сегментными. Для герметичных ГЦН преимущественно используются более простые гидродинамические подшипники втулочного типа, которые могут применяться как для вертикального, так и для горизонтального вала. На рис. 3.4 показана конструкция одного из таких подшипников. Он состоит из корпуса 1, в котором крепится штифтом 5 гильза 2 из стали 1Х17Н2. В гильзу встраивается составная графитовая втулка 4 из фторопластоуглеграфитового материала 2П-1000-ЗП по легкопрессовой посадке или с минимальным зазором и стопорится штифтом 3. Втулка 4 имеет восемь продольных каналов 6 радиусом 4 мм, необходимых для интенсивного отвода тепла от рабочей поверхности. Работает она в паре с втулкой вала, выполненной из хромоникелевого сплава ВЖЛ-2. Эта пара дает хорошие результаты при окружных скоростях до 32 м/с, удельных нагрузках до 0,4 МПа и температуре до 160° С. Диаметральный зазор в подшипнике принят равным 0,2 мм при диаметре втулки вала

100мм.

Вкачестве сегментного самоустанавливающегося радиального подшипника рассмотрим подшипник вертикального герметичного ГЦН английской фирмы «Hayward Ту1ег [3, гл. 2] (рис. 3.5). В корпус 2 встроены шесть самоустанавливающихся сегментов 10, которые стопорятся от проворачивания с помощью кольца 8, изготовленного из стали Мs (сталь 20).

Материал сегмента — закаленная сталь ЕМ-57, по химическому составу близкая к стали 1Х17Н2. Сегменты подшипника с наружной стороны имеют упорный бурт 11, вокруг которого они могут менять свое рабочее положение. Упорный бурт смещен

по направлению вращения на 5° от оси симметрии сегмента. Диаметральный зазор

В некоторых насосах, имеющих незначительные осевые силы, возможно применение верхнего радиально-осевого подшипника качения (см. гл. 2)

50